Tre kilometer nede i jorden blir jobben for hard for det tradisjonelle boreutstyret. Etter å ha spist seg gjennom leire, sand og grus i ukesvis, har det nå nådd ned til grunnfjellet av granitt.
Men ingeniørene har en løsning. De haler opp borehodet og erstatter det med et merkelig rør med noe som ligner en liten parabolantenne i enden.
Sekunder senere begynner parabolen å sende ut elektromagnetisk stråling med enorm styrke. Strålingen får steinen nederst i borehullet til å bli så varm at den rett og slett fordamper og blir til gass. Og det går raskt!
Mens et vanlig bor ville brukt måneder på den neste kilometeren ned, tilbakelegger parabolen turen på en uke og etterlater seg en glatt, loddrett brønn med en diameter på tjue centimeter.
Bak den banebrytende boreteknikken står det amerikanske firmaet Quaise. Fortsatt er den bare på tegnebrettet, men investorene står i kø, for teknikken har et enormt potensial.
Forskerne vil brenne seg to mil ned på hundre dager.
Selskapets beregninger viser at det er mulig å komme to mil ned i bakken på bare hundre dager. Og blir ideen realisert, står verden overfor en energirevolusjon som kan gjøre den grønne omstillingen til en lek.
Island har vist vei
Målet for Quaise er å tappe den enorme varmereserven som planeten skjuler i sitt indre. Geologenes modeller viser at det på tjue kilometers dybde er temperaturer mellom 400 og 500 °C overalt på jorden.
Varmen stammer fra jordens barndom og fra den stadige nedbrytingen av radioaktive grunnstoffer under bakken – først og fremst uran, thorium og kalium.
Hvis vi får tilgang til denne geotermiske energien, kan vi utnytte den til å generere elektrisitet på samme måte som det i dag gjøres noen få steder i verden. Et av dem er Island, der 25 prosent av strømmen i stikkontakten er hentet fra energi under bakken.
Vulkansk aktivitet gjør jordskorpen under Island så tynn at kraftverk lett kan utnytte varmen i jordens indre.
Sammen med for eksempel Japan og New Zealand er Island et av de energimessig heldige landene på kloden. Øystaten ligger rett over den såkalte midtatlantiske spredningsryggen, der ny havbunn hele tiden oppstår på grunn av vulkansk aktivitet.
Resultatet er at jordskorpen er ekstremt tynn, slik at man ikke trenger å bore særlig langt ned før temperaturen er høy nok til å utnyttes – både til oppvarming og til strømproduksjon.
Varmt vann til oppvarming trenger ikke holde mer enn 50 °C, mens strømproduksjon først fungerer når temperaturen er minst 150 °C, og helst mye høyere.
I mesteparten av verden har geotermi til strømproduksjon derfor bare en framtid hvis det blir enkelt og billig å hente energien veldig langt nede i jordskorpen.
I dag er det bare i begrensede områder (rødt) vi kan produsere strøm med geotermisk energi. Men hvis vi kan bore tjue kilometer ned, blir det mulig over hele jorden.
Det er det problemet Quaise vil løse med den nye boreteknikken.
«I 2022 går vi fra testboringer på en meter ned til ti meter. Deretter begynner vi på neste fase. Vi satser på at vi i 2024 har klar teknologien som trengs, slik at vi virkelig kan begynne å bore i dybden», sier Carlos Araque, direktør og medgrunnlegger av Quaise, til Illustrert Vitenskap.
I stedet for å bore med et tradisjonelt borehode vil Quaises forskere bokstavelig talt brenne seg ned gjennom steinen. Til det formålet skal de bruke en mikrobølgegenerator – en såkalt gyrotron.
Teknologien finnes allerede
En gyrotron produserer energirike elektromagnetiske bølger i millimeterlengde – med en frekvens på mellom 30 og 300 GHz. Heldigvis eksisterer teknologien allerede – også i den skalaen Quaise trenger.
Det er nemlig gyrotroner andre energiforskere bruker i forsøk med fusjonsenergi. Her bruker forskerne mikrobølgene til å varme opp fusjonsdrivstoffet til over hundre millioner grader.
Gyrotroner brukes i fusjonsreaktorer til å varme opp drivstoffet – som her på det store europeiske forsøksanlegget ITER.
Så høye temperaturer trenger ikke Quaise. Beskjedne 3000 °C er nok til å fordampe steinen i bunnen av borehullet. Til gjengjeld er utfordringen å frakte de energirike mikrobølgene dypt ned under bakken.
Transporten må skje gjennom en såkalt bølgeleder. Det er et metallrør med en innside som reflekterer mikrobølgene uten tap. Nederst i hullet frigjør bølgelederen mikrobølgene, som brenner steinen til et askelignende pulver.
Asken fjernes elegant ved at edelgassen argon pumpes ned i hullet. Her blander asken seg med gassen slik at den pulveriserte steinen løftes opp av hullet når gassen igjen stiger til værs.
Mikrobølger får stein til å fordampe
Firmaet Quaise vil bruke en helt ny teknikk til å bore dypt ned i steingrunnen. Mikrobølger fra en såkalt gyrotron skal brenne stein til aske som deretter kan hentes opp ved hjelp av gass.
1. Gyrotron sender ut mikrobølger
Etter at et konvensjonelt bor har nådd ned gjennom jordlaget, tar gyrotronen over. Den skaper ekstremt energirike mikrobølger som sendes ned gjennom borehullet via en såkalt bølgeleder.
2. Mikrobølger brenner stein
Helt nede i hullet skaper mikrobølgene en temperatur på 3000 °C, nok til å fordampe steinen på opptil 15 centimeters avstand. Lenger unna smelter steinen, men størkner igjen slik at den stabiliserer hullet.
3. Gass henter opp den knuste steinen
Den fordampede steinen krystalliserer seg raskt til et steinpulver som minner om vulkansk aske. Pulveret fjernes ved at argongass pumpes ned i hullet. Når gassen stiger opp, tar den asken med seg.
Quaises konsept har den fordelen at det ikke er noe utstyr nede i borehullet som blir slitt ut og må skiftes.
Samtidig blir veggene i borehullet automatisk forseglet med et lag av smeltet stein som størkner til glass. Et vanlig borehull må forsterkes med et metallrør som føres ned etter boringen, og det er både dyrt og tidkrevende.
Én løsning på to store problemer
Dermed løser Quaise de to største utfordringene som knytter seg til å bore dypt: å forsegle borehullet og å hente massen opp til overflaten.
De to vanskene betyr at kostnadene ved en tradisjonell mekanisk boring stiger eksponentielt i takt med dybden – og det samme gjelder tiden det tar å bore.
Derfor har ingen til nå klart å bore så dypt som Quaise planlegger å gjøre. Det dypeste borehullet i verden i dag er på om lag tolv kilometer. Rekorden ble satt på Kolahalvøya i 1989 av sovjetiske forskere.
Jordens dypeste hull ble boret på Kolahalvøya fra 1970 til 1989. På de 19 årene kom man om lag 12 kilometer ned. Med sin nye teknikk vil Quaise bore nesten dobbelt så dypt.
De tekniske begrensningene ved tradisjonell boring er også den viktigste årsaken til at geotermi i dag bare dekker én prosent av verdens samlede energiforbruk, som nærmer seg tjue terawatt. En terawatt er 1012 watt, altså en billion watt.
«Målet vårt med dyp geotermisk energi er å produsere grunnlastkraft i terawattskala», sier Carlos Araque.
Og nettopp ordet grunnlast er sentralt i den grønne omstillingen. Grunnlast er den delen av energiforbruket som holder seg konstant over en viss tid.
I dag kommer mye grunnlastkraft fra kraftverk som brenner fossile drivstoff. Vannkraft er også grunnlastkraft, så lenge det er nok vann bak demningen, men sol- og vindenergi er ikke det. Her varierer produksjonen med døgnet og været.
Hvis geotermi kan gi oss grunnlastkraft i store mengder, vil det være en avgjørende brikke i det puslespillet av fornybare energikilder som skal gjøre oss helt uavhengige av fossil energi.
Fire grønne kilder kan dekke strømforbruket vårt
Vi kan godt dekke hele klodens strømforbruk med fornybare energikilder som vind, sol, vann og jord – bare vi skrur produksjonen klokt sammen. Les hvordan her.
Eksperimentene til Quaise kan dermed endre energiforsyningen vår radikalt. Alt sammen står og faller med gyrotronboringene.
Selskapets innledende forsøk viser at selve grunntanken med å fordampe stein ved hjelp av en gyrotron fungerer i laboratoriet, men om teknikken også virker i full skala og med en kilometerlang bølgeleder, er fortsatt usikkert.
De dype boringene skal foretas med mikrobølger fra en såkalt gyrotron. Teknologien er testet i laboratoriet, der forskerne har brent et fem centimeter vidt hull i en stein (t.h.).
Kraftverk skal gjenbrukes
Hvis oppdraget lykkes og det blir mulig å bore hvor som helst til en brøkdel av den nåværende prisen, kan energiselskaper på kort tid skifte ut kullet og oljen i dagens kraftverk med grønn energi fra undergrunnen.
Det krever bare to dype boringer like ved de eksisterende anleggene. Deretter kan de fortsette strømproduksjonen, men uten utslipp av CO2.
For å oppnå det beste utbyttet må vann pumpes ned der steinen holder en temperatur på 400–500 grader. Her vil varmen og det høye trykket få vannet til å passere det som kalles det kritiske punktet og gå over til å bli et såkalt superkritisk fluid.
I denne tilstanden er det ikke noen forskjell på gass og væske. Dessuten kan superkritisk vann lagre ti ganger så mye energi som vanlig vann. Det gjør det særlig velegnet til energiproduksjon siden det kan konkurrere med fossile drivstoff når det gjelder energitetthet.
Teknikken og naturen er klar
Teknologien for å utnytte geotermisk energi finnes i dag. Vi kan faktisk gjenbruke de kraftverkene som tidligere ble fyrt med kull og gass. Og undergrunnen er klar til å levere den varmen og det trykket som gir det beste utbyttet.
1. Kaldt vann bryter opp steinen
Pumper setter trykk på det kalde vannet, som sendes ned gjennom det første borehullet. Når vannet strømmer ut på 20 kilometers dybde, skaper det revner og sprekker i den tørre steinen med en temperatur på 400–500 grader.
2. Vannet blir fullt av energi
Etter hvert som mer vann pumpes ned, oppstår det reservoarer som er utsatt for både høy varme og høyt trykk. Vannet blir superkritisk, noe som vil si at det kan inneholde ti ganger så mye energi som ellers.
3. Glovarm damp driver gamle turbiner
Det superkritiske vannet pumpes opp. Når det kommer opp til overflaten, der trykket er lavere, blir det til glovarm damp som brukes til strømproduksjon – for eksempel via turbiner og generatorer fra gamle kullkraftverk.
Tanken om å legge om eksisterende kraftverk til geotermi er en grunnpilar i Quaises forretningsmodell.
«Den grønne omstillingen kan ikke begynne med at vi kaster alt vi har, og bygger det opp igjen. Det er ikke bærekraftig», mener Carlos Araque.
«Kraftverkene representerer årtier, om ikke århundrer, med menneskelig arbeid. Med en enkel endring kan vi stanse utslippene av CO2.»
Hvis forsøkene de neste årene går bra, tror Araque at Quaise vil forsyne det første fossile kraftverket med dyp geotermisk energi før 2030.
